在微波組件LTCC基板應用過程中，基板與封裝殼體的釬透率是影響LTCC基板性能發(fā)揮的重要因素。通過前期對LTCC基板制備工藝的研究，LTCC基板已可獲得較好的成型質(zhì)量，尤其是基板平整度。

對于常規(guī)尺寸和對稱分布腔體結(jié)構的LTCC基板，在保證基板整體平整度的前提下，通過焊接面可焊性改善和焊料流淌控制方法的運用，采用氮氣保護回流焊接工藝即可獲得較好的基板釬透率，部分焊接工藝釬透率可達90%左右。但是隨著T/R組件結(jié)構形式的發(fā)展，大尺寸、多腔體LTCC基板的應用日益廣泛，尺寸普遍在80 mm × 60 mm以上。

對大尺寸LTCC基板平面度的控制越來越難，影響LTCC基板釬透率的因素也越來越多，常規(guī)的氮氣保護焊接工藝已無法滿足大尺寸LTCC基板的焊接釬透率和成品率要求?；宓撞靠斩磿植拷拥匦阅茉斐刹涣加绊?，同時新型微波組件對接地性能敏感性的加劇也對LTCC釬透率提出了更高的要求。所有這些變化都對LTCC基板的應用提出了挑戰(zhàn)。

本文以大尺寸、多腔體LTCC基板為研究對象，系統(tǒng)研究了影響大尺寸、多腔體LTCC基板釬透率的影響因素，并提出了改進LTCC基板釬透率的焊接工藝，使LTCC基板釬透率和一次焊接成品率均得到顯著提升，保證了大尺寸、多腔體LTCC基板在微波組件中的批量應用。

用100 mm × 80 mm的LTCC基板和Sn63Pb37焊料進行焊接。首先采用回流焊工藝在基板背面預先印刷Sn63Pb37焊膏并進行回流焊接，實現(xiàn)基板背面預上錫；然后進行清洗，去除殘留助焊劑，在LTCC基板與封裝殼體之間放置厚度為0.05 mm的Sn63Pb37焊片并刷涂少量低殘留助焊劑；最后，通過焊接工裝固定，采用真空回流焊接設備進行回流焊接，焊后采用 X 射線觀察焊縫釬透率。

基板背面預上錫效果對釬透率的影響

LTCC基板背面一般燒結(jié)AuPtPd焊盤，與封裝殼體焊接實現(xiàn)大面積接地。在LTCC基板燒結(jié)過程中，若燒結(jié)氣氛保護不當，則會發(fā)生焊盤氧化現(xiàn)象，影響基板背面焊盤的可焊性，使LTCC基板預上錫效果變差，基板背面錫鉛焊料出現(xiàn)搪錫不均勻現(xiàn)象，如圖1所示。背部高低不平的LTCC基板與封裝殼體裝配后，基板與殼體貼合不到位，在高溫和壓力作用下，焊錫偏薄的位置會產(chǎn)生大面積空洞，焊料堆積位置會有焊料大量溢出，導致后期LTCC基板與封裝殼體焊接釬透率不滿足要求。

基板平面度對釬透率的影響

LTCC基板內(nèi)部金屬大面積層數(shù)多且在基板內(nèi)分布不均勻，由于金屬漿料與生料帶燒結(jié)匹配性較差，因此大尺寸、多腔體LTCC基板燒結(jié)后存在一定的變形，尤其是基板局部腔體處，形成背面凹陷，LTCC基板與封裝殼體裝配時形成四周貼合、中部空隙的狀態(tài)。

采用2種平面度狀態(tài)的LTCC基板進行焊接實驗。結(jié)果顯示：平面度小于0.1 mm（100 mm × 100 mm范圍內(nèi)）的LTCC基板焊透率良好，焊接空洞分布比較均勻，無大面積空洞產(chǎn)生，總體釬透率達到80%左右；平面度大于0.1 mm的LTCC基板釬透率差，基板中部形成大面積空洞，尤其是在基板腔體下部，在環(huán)境試驗應力作用下極易造成腔體開裂。這是因為基板背面平面度達到0.1 mm以上時，基板背面與殼體裝配時無法有效貼合，由于回流焊接高溫時間長，受毛細作用影響，在焊接過程中基板背面焊料逐漸向四周流淌，造成LTCC基板背面中心部位與殼體間焊料不足，出現(xiàn)大面積空洞（如圖3所示），整體焊透率差。

通過優(yōu)化LTCC基板燒結(jié)工藝，改善LTCC基板平面度，將平面度控制在0.1 mm以內(nèi)，可以有效改善LTCC基板的釬透率，但氮氣保護焊接整體釬透率仍僅有80%左右，且成品率波動較大，需要通過返修工作來保證組件的焊接質(zhì)量。

回流焊接工藝對釬透率的影響

常規(guī)氮氣保護回流焊接工藝無法有效解決大尺寸LTCC基板釬透率問題。本文采用真空回流焊接工藝進行LTCC基板與封裝殼體的焊接。影響LTCC基板釬透率的因素包括高溫回流時間、真空作用時間和工裝壓力等，通過調(diào)整工藝參數(shù)考察其對基板釬透率的影響。

高溫回流時間

實驗采用多溫區(qū)回流焊接爐進行焊接，為保證LTCC基板及其他連接器均一次焊接良好，需對焊接溫度曲線進行優(yōu)化，盡量保證封裝殼體各個部位焊接溫度高于183 ℃的高溫維持時間均大于60 s。由于封裝殼體結(jié)構復雜，因此封裝殼體各個部位的溫度峰值和高溫回流時間均有一定差異。

結(jié)果顯示，當焊接過程中183 ℃以上高溫回流時間過長時，由于大尺寸LTCC基板不可避免地存在一定的變形，在長時間高溫作用下焊錫逐漸向四周流淌，在基板中部形成局部空洞。一般情況下高溫回流時間在60~90 s之間最佳，隨著高溫回流時間的逐漸增長，基板底部會有空洞出現(xiàn)。

真空作用時間

采用相同預上錫效果和平整度的LTCC基板開展回流焊接實驗。結(jié)果表明，在無真空作用狀態(tài)下，基板底部助焊劑和氣泡無法排出，基板底面存在較多的空洞。進行真空焊接時，真空的作用可將助焊劑和氣泡逐步抽出，使基板底部焊料均勻填充。同時焊片的加入降低了基板平面度和預上錫效果的影響。平面度不超過0.2 mm的基板釬透率可達到95%左右，相比常規(guī)氮氣回流焊接的釬透率和成品率皆有顯著提升。

回流焊接過程中的真空作用一般處于焊料高溫熔融階段，分為抽真空階段、真空保持階段和壓力恢復階段，其中真空保持階段對基板底部的氣泡排出起關鍵作用。在實際焊接過程中應合理分配3個階段的時間。當抽真空和壓力恢復階段的時間過短時，基板和焊料表面壓力變化過快，會導致焊料飛濺；當抽真空和壓力恢復階段的時間過長時，雖然仍能保持高的基板釬透率，但在長時間高溫作用下會導致焊錫流淌。各個階段的時間至少在10 s左右時，既可保證基板底面焊料的充分填充，又可保證基板表面元件焊點的良好成形。

基板承受壓力

LTCC基板與殼體焊接時，需對基板施加一定的壓力，以保證回流焊接過程中LTCC基板裝配位置精度。若未對LTCC基板施加壓力，靠基板自重與殼體配合，雖然在真空作用下LTCC基板與殼體之間的空洞氣體被抽出，基板與殼體可以依靠焊料的粘合作用實現(xiàn)連接，但仍會出現(xiàn)部分基板因底部貼合縫隙過大而形成大面積空洞，甚至局部翹起。

當通過工裝對基板施加一定的彈性壓力時，在真空作用下LTCC基板與殼體之間的氣泡被逐漸排出，在壓力作用下基板與殼體有效貼合，焊料在基板與殼體之間均勻鋪展，基板底部幾乎無孔洞產(chǎn)生，釬透率最高達到98%左右，如圖4所示。

但是當LTCC基板受力較大時，基板底部焊料在壓力作用下溢出，造成焊料在基板邊緣堆積，對殼體內(nèi)部鍍層和基板表面焊盤造成不良影響。因此，對LTCC基板表面施加的壓力需要根據(jù)基板結(jié)構進行調(diào)整。在壓力適當?shù)那闆r下，LTCC基板的焊透率和溢錫現(xiàn)象均得到顯著改善，一次成品率接近100%，避免了返工。

LTCC 基板高釬透率焊接工藝

上述實驗表明真空回流焊接是改善大尺寸LTCC基板釬透率的有效途徑。真空作用降低了焊接工藝對LTCC基板平面度、預上錫質(zhì)量的要求，在相同狀態(tài)下，真空回流焊接的釬透率和成品率明顯高于氮氣保護焊接的釬透率和成品率。在真空焊接工藝中，真空回流時間直接決定熔融焊料中的氣體能否被有效排出，對LTCC基板釬透率至關重要。

在真空回流時間合適的情況下，LTCC基板釬透率基本可達到95%以上，其余參數(shù)的小范圍波動對LTCC基板釬透率的影響不明顯，因此，真空回流時間是影響大尺寸LTCC基板釬透率的關鍵因素。LTCC基板的平面度和預上錫效果對真空回流焊接釬透率有一定影響。

在真空回流焊接過程中，這2個因素存在波動時，LTCC基板釬透率也可基本滿足不低于 90%的要求。當基板平面度和預上錫效果出現(xiàn)明顯變化時，基板底部焊料的流淌會受到影響，造成部分組件基板底部出現(xiàn)空洞，使焊接成品率下降。

高溫回流時間和基板承受的壓力對LTCC基板的釬透率影響較小。在保證焊料充分熔融的情況下，回流時間和基板所受壓力僅對焊料流淌范圍有影響，會造成部分基板底面溢錫，需通過返工消除對下道工序的影響。

因此，在真空回流焊接工藝中對LTCC基板釬透率影響最大的是真空回流時間，其次是LTCC基板平面度和預上錫質(zhì)量，最后是高溫回流時間和基板所受壓力。

優(yōu)化真空回流焊接工藝，控制合適的真空回流時間，可保證LTCC基板底部氣體被有效排出；焊片的加入可增加LTCC基板背面焊錫的厚度，降低LTCC基板變形和預上錫效果對配合間隙的影響；控制高溫回流焊接時間和基板彈性壓力，可有效抑制焊料流淌。

通過以上綜合措施，大尺寸、多腔體LTCC基板釬透率基本可達到95%以上，最高可達98%左右，基板與殼體間焊料均勻鋪展，避免了焊接空洞的形成和基板四周的焊料溢出，顯著減少了返工返修工作。

真空回流焊接是解決大尺寸、多腔體LTCC基板釬透率的有效途徑，通過設置合適的真空回流焊接工藝參數(shù)并加強對LTCC基板制備質(zhì)量的控制，既保證焊料充分熔合填充又有效控制焊料流淌，使基板釬透率和一次成品率均顯著提高，突破了對大尺寸、多腔體LTCC基板應用條件的限制，成品率滿足工程化應用需求，推動了LTCC基板應用范圍的進一步擴展。